Синтез Иерархическая ZnO / CdSSe гетероструктуре Nanotrees
Summary
Здесь мы готовим и охарактеризовать новые древовидные иерархические наноструктуры ZnO / CdSSe, где CdSSe ветви выращиваются на вертикально ориентированных ZnO нанопроводов. Полученные nanotrees представляют собой потенциальный материал для преобразования солнечной энергии и других оптико-электронных приборов.
Abstract
Процедура химического осаждения из паровой двухстадийный здесь используются для подготовки древовидные иерархические ZnO / CdSSe гетероатома наноструктуры. Структуры состоят из CdSSe ветвей, выращенных на ZnO нанопроводов, которые вертикально совмещенных на прозрачной подложке из сапфира. Морфология измеряли с помощью сканирующей электронной микроскопии. Кристаллическая структура была определена методом рентгеноструктурного анализа порошковой дифракции. И ZnO стебель и CdSSe ветви имеют преимущественно вюртцит кристаллическую структуру. Молярное отношение S и Se в ветвях CdSSe измеряли с помощью энергии дисперсионного рентгеновской спектроскопии. Ветви CdSSe приводят к сильным видимого поглощения света. Фотолюминесценции (PL) спектроскопии показали, что ствол и ветви образуют гетеропереход типа II. Измерение времени жизни ФЛ показал уменьшение срока службы эмиссии с деревьев по сравнению с излучением от индивидуального ZnO стеблей или ветвей CdSSe и указывают на быстрый перенос заряда между CdSSe и ZnO. Vertiчески выровнены ZnO, стебли обеспечивают прямой перенос электронов путь к подложке и позволяют эффективно разделения зарядов после фотовозбуждением видимым светом. Сочетание вышеуказанных свойств делает ZnO / CdSSe nanotrees перспективны для применения в солнечных элементах, фотокатализа и оптико-электронных приборов.
Introduction
ZnO является полупроводником II-VI показывая ширину запрещенной зоны (BG) 3,3 эВ, высокую подвижность электронов, и большой энергией связи экситона 1,2. Это богатый полупроводником с множеством настоящих и будущих применений в области оптических приборов, солнечных батарей и фотокатализа. Тем не менее, ZnO, прозрачна, что ограничивает его применение в видимой области спектра. Таким образом, материалы , поглощающие видимый свет, например узкозонных полупроводников 3, 4 молекул красителя и фоточувствительных полимеров 5, часто были использованы для сенсибилизации ZnO для видимого поглощения света.
CdS (BG 2,43 эВ) и CdSe (BG 1,76 эВ) являются общими II-VI узок полупроводниками и интенсивно исследовались. Параметры BG и решетки тройного сплава CdSSe можно регулировать путем изменения мольные соотношения компонентов VI 6,7. ZnO / CdSSe нанокомпозиты Сообщалось, что приводит к эффективному photovoltaic преобразования энергии 8,9.
Сочетание эффективного переноса электронов путь вертикально выровненных ZnO нанопроводов в направлении подложки с улучшенным поглощением видимого света ветвей CdSSe привело к эффективному переносу электронов между стеблем и ветвями 9,10. Таким образом, мы синтезировали новый древовидную ZnO / CdSSe наноструктуры, где вертикально выровненных ZnO нанопроволоки украшены ветвями CdSSe. Этот композитный материал может выступать в качестве строительного блока для новых устройств преобразования солнечной энергии.
Этот протокол описывает , как ZnO нанопроводов массивы выращивают на сапфировой подложке путем одностадийного химического осаждения из паровой фазы (CVD) из ZnO и С порошков, в соответствии с процедурой, которая ранее была опубликована 11. После роста ZnO нанопроводов, второй этап CVD используется расти ветви CdSSe на ZnO нанопроводов. Мы используем рентгеновских лучей на порошке дифракции (XRD), сканирующей электронной микроскопии (SEM) иэнерго-дисперсионная рентгеновская спектроскопия (EDS) для измерения кристаллических структур, морфологии и состава nanotrees ZnO / CdSSe (NTS). Механизм передачи оптических свойств и носителей заряда между ветвями и стебле были исследованы фотолюминесценции (PL) спектроскопии и измерения времени жизни ФЛ с временным разрешением.
Protocol
Representative Results
Discussion
Вертикальное выравнивание ZnO нанопроводов (ветках) основан на эпитаксии на подложке. ZnO нанопроволоки растут преимущественно вдоль <0001> направлении , которое совпадает с периодичностью в плоскости сапфира 12. Таким образом, тип и качество подложки очень важны. Различные толщины…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы благодарят Svilen Bobev за помощь спектров РСА и К. Booksh для помощи с оборудованием нанесения покрытий распылением.
Materials
| ZnO | Sigma Aldrich | 1314-13-2 | |
| Activated Carbon | Alfa | 231-153-3 | |
| CdSe | Sigma Aldrich | 1306-24-7 | |
| CdS | Sigma Aldrich | 1306-23-6 | |
| Sapphire | MTI | 2SP | a-plane, 10 × 10 × 1 mm |
| Furnace | Lindberg Blue M | SSP | |
| Scanning electron microscope | Hitachi | S5700 | assembled with an Oxford Inca X-act detector |
| X-ray powder diffractometer | Rigaku | MiniFlex | filtered Cu Kα radiation (λ=1.5418 Å) |
| Amplified Ti:sapphire oscillator | Coherent Mantis | Coherent Legend-Elite | |
| Single photon detection module | ID Quantique | ID-100 | |
| Sputter coater | Cressington | 308 | assembled with gold target |
| Fiber probe spectrometer | Photon Control | SPM-002 | |
| Colored Glass Filter | Thorlabs | FGB37-A – Ø25 mm BG40 | AR Coated: 350 – 700 nm |
| Compressed argon gas | Keen | 7440-37-1 |
References
- Swank, R. K. Surface Properties of II-VI. Compounds. Phys. Rev. 153 (3), 844-849 (1967).
- Bagnall, D. M., et al. Optically pumped lasing of ZnO at room temperature. Appl Phys. Lett. 70 (17), 2230-2232 (1997).
- Zheng, Z. K., Xie, W., Lim, Z. S., You, L., Wang, J. L. CdS sensitized 3D hierarchical TiO2/ZnO heterostructure for efficient solar energy conversion. Sci. Rep. 4, (2014).
- Anta, J. A., Guillén, E., Tena-Zaera, R. ZnO-Based Dye-Sensitized Solar Cells. J. Phys. Chem. C. 116 (21), 11413-11425 (2012).
- Pelligra, C. I., Majewski, P. W., Osuji, C. O. Large area vertical alignment of ZnO nanowires in semiconducting polymer thin films directed by magnetic fields. Nanoscale. 5 (21), 10511-10517 (2013).
- Reddy, N. K., Devika, M., Shpaisman, N., Ben-Ishai, M., Patolsky, F. Synthesis and cathodoluminescence properties of CdSe/ZnO hierarchical nanostructures. J. Mater. Chem. 21 (11), 3858-3864 (2011).
- Lee, Y. L., Chi, C. F., Liau, S. Y. CdS/CdSe Co-Sensitized TiO2 Photoelectrode for Efficient Hydrogen Generation in a Photoelectrochemical Cell. Chem. Mater. 22 (3), 922-927 (2010).
- Rincón, M. E., Sánchez, M., Ruiz-García, J. Photocorrosion of Coupled CdS/CdSe Photoelectrodes Coated with ZnO: Atomic Force Microscopy and X-Ray Diffraction Studies. J. Electrochem. Soc. 145 (10), 3535-3544 (1998).
- Leschkies, K. S., et al. Photosensitization of ZnO Nanowires with CdSe Quantum Dots for Photovoltaic Devices. Nano Lett. 7 (6), 1793-1798 (2007).
- Gonzalez-Valls, I., Lira-Cantu, M. Vertically-aligned nanostructures of ZnO for excitonic solar cells: a review. Energy Environ Sci. 2 (1), 19-34 (2009).
- Zhu, G., et al. Synthesis of vertically aligned ultra-long ZnO nanowires on heterogeneous substrates with catalyst at the root. Nanotechnology. 23 (5), 055604 (2012).
- Yang, P., et al. Controlled Growth of ZnO Nanowires and Their Optical Properties. Adv. Func. Mater. 12 (5), 323-331 (2002).
- Myung, Y., et al. Composition-Tuned ZnO−CdSSe Core−Shell Nanowire Arrays. ACS Nano. 4 (7), 3789-3800 (2010).
- Pan, A., et al. Color-Tunable Photoluminescence of Alloyed CdSxSe1-x Nanobelts. J. Am. Chem. Soc. 127 (45), 15692-15693 (2005).
- Rakshit, T., Mondal, S. P., Manna, I., Ray, S. K. CdS-decorated ZnO nanorod heterostructures for improved hybrid photovoltaic devices. ACS Appl. Mater. Inter. 4 (11), 6085-6095 (2012).
- Nan, W. N., et al. Crystal Structure Control of Zinc-Blende CdSe/CdS Core/Shell Nanocrystals: Synthesis and Structure-Dependent Optical Properties. J. Am. Chem. Soc. 134 (48), 19685-19693 (2012).
- Li, Z., Nieto-Pescador, J., Carson, A. J., Blake, J. C., Gundlach, L. Efficient Z-scheme charge separation in novel vertically aligned ZnO/CdSSe nanotrees. Nanotechnology. 27 (13), 135401 (2016).
